Для передачи и хранения цвета в компьютерной графике используются различные формы его представления. В общем случае цвет представляет собой набор чисел, координат в некоторой цветовой системе.
Стандартные способы хранения и обработки цвета в компьютере обусловлены свойствами человеческого зрения. Наиболее распространены системы RGB для дисплеев и CMYK для издательских систем. Иногда используется система с большим, чем три, числом компонент. Кодируется спектр отражения или испускания источника, что позволяет более точно описать физические свойства цвета. Такие схемы используются в фотореалистичном трехмерном рендеринге.
Двумерная компьютерная графика классифицируется по типу представления графической информации и следующим из него алгоритмам обработки изображений. Обычно компьютерную графику разделяют на векторную и растровую, хотя обособляют еще и фрактальный тип представления изображений.
Реальная сторона графики. Любое изображение на мониторе, в силу его плоскости, становится растровым, так как монитор – это матрица, состоящая из столбцов и строк. Трехмерная графика существует лишь в нашем воображении, так как то, что мы видим на мониторе, – это проекция трехмерной фигуры, а уже создаем пространство мы сами. Таким образом, визуализация графики бывает растровая и векторная, способ визуализации – это только растр (набор пикселей), а от количества этих пикселей зависит способ задания изображения.
Растровая графика
Растровая графика – это прямоугольная матрица, состоящая из множества очень мелких, неделимых точек (пикселей). Каждый такой пиксель может быть окрашен в какой-нибудь один цвет. Например, монитор с разрешением 1024x768 пикселей имеет матрицу, содержащую 786 432 пикселей, каждый из которых (в зависимости от глубины цвета) может иметь свой цвет. Так как пиксели имеют очень маленький размер, то такая мозаика сливается в единое целое, и при хорошем качестве изображения (высокой разрешающей способности) человеческий глаз не видит пикселизацию изображения.
При увеличении растрового изображения происходит следующее. Компьютер как бы растягивает изображение, увеличивая тем самым размер матрицы. Компьютер вычисляет новые пиксели и окрашивает их в средние цвета между старыми пикселями. Растровую графику следует применять для изображений с фотографическим качеством, на которых присутствует множество цветовых переходов (рис. 10.13). Размер файла, хранящего растровое изображение, зависит от двух факторов:
– от размера изображения;
– от глубины цвета изображения (чем больше цветов представлено на изображении, тем больше размер файла).
Векторная графика
Представляет изображение как набор геометрических примитивов. Обычно в качестве примитивов выбираются точки, прямые, окружности, прямоугольники, а также в общем случае сплайны некоторого порядка. Объектам присваиваются некоторые атрибуты, например толщина линий, цвет заполнения. Рисунок хранится как набор координат, векторов и других чисел, характеризующих набор примитивов. При воспроизведении перекрывающихся объектов имеет значение их порядок. Изображение в векторном формате дает простор для редактирования. Изображение можно без потерь в качестве масштабировать, поворачивать, деформировать; кроме того, имитация трехмерности в векторной графике проще, чем в растровой (рис. 10.14). Дело в том, что каждое преобразование фактически выполняется так: старое изображение (или фрагмент) стирается и вместо него строится новое. Математическое описание векторного рисунка остается прежним, изменяются только значения некоторых переменных, например коэффициентов. При преобразовании растровой картинки исходными данными является только описание набора пикселей, поэтому возникает проблема замены меньшего числа пикселей на большее (при увеличении) или большего на меньшее (при уменьшении). Простейшим способом является замена одного пикселя несколькими того же цвета (метод копирования ближайшего пикселя – Nearest Neighbour). Более совершенные методы используют алгоритмы интерполяции, при которых новые пиксели получают цвет, код которого вычисляется на основе кодов цветов соседних пикселей. Подобным образом выполняется масштабирование в программе Adobe Photoshop (билинейная и бикубическая интерполяция). Вместе с тем не всякое изображение можно представить как набор примитивов. Такой способ представления хорош для схем, масштабируемых шрифтов, деловой графики, очень широко он используется для создания мультфильмов и видеороликов разного содержания.
Фрактальная графика
Фрактал – объект, отдельные элементы которого наследуют свойства родительских структур. Поскольку более детальное описание элементов меньшего масштаба происходит по простому алгоритму, описать такой объект можно всего лишь несколькими математическими уравнениями. Фракталы позволяют описывать целые классы изображений, для детального описания которых требуется относительно мало памяти.
С другой стороны, к изображениям вне этих классов фракталы применимы слабо.
Фрактал (лат. fractus – дробленый) – термин, означающий геометрическую фигуру, обладающую свойством самоподобия, т.е. составленную из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком. В более широком смысле под фракталами понимают множества точек в евклидовом пространстве, имеющие дробную метрическую размерность либо метрическую размерность, строго большую топологической. Следует отметить, что слово «фрактал» не является математическим термином и не имеет общепринятого строгого математического определения.
Многие объекты в природе обладают фрактальными свойствами, например побережья, облака, кроны деревьев, кровеносная система и система альвеол человека или животных. Фракталы, особенно на плоскости, популярны благодаря сочетанию красоты с простотой построения при помощи компьютера.
Компьютеры дают возможность строить модели бесконечно детализированных структур. Есть много методов создания фрактальных изображений на компьютере. Два профессора математики из Технологического института штата Джоржия разработали широко используемый метод, известный как системы итерируемых функций (СИФ). С помощью этого метода создаются реалистичные изображения природных объектов, таких, например, как листья папортника, деревья, при этом неоднократно применяются преобразования, которые передвигают, изменяют в размере и вращают части изображения. В СИФ используется самоподобие, которое есть у творений природы, и объект моделируется как композиция множества мельчайших копий самого себя (рис. 10.15).
D-графика
Трехмерная графика (3D, 3 Dimensions) – раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), призванных обеспечить пространственно-временную непрерывность получаемых изображений. Больше всего применяется для создания изображений в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке и промышленности.
Трехмерная графика оперирует с объектами в трехмерном пространстве. Как правило, результаты представляют собой плоскую картинку, проекцию. В трехмерной компьютерной графике все объекты обычно представляются как набор поверхностей или частиц. Минимальную поверхность называют полигоном. В качестве полигона обычно выбирают треугольники. Всеми визуальными преобразованиями в 3D-графике управляют матрицы. В компьютерной графике используется три вида матриц: матрица поворота, матрица сдвига, матрица масштабирования. Любой полигон можно представить в виде набора из координат его вершин. Так, у треугольника будет три вершины. Координаты каждой вершины представляют собой вектор (х, у, z). Умножив вектор на соответствующую матрицу, мы получим новый вектор. Выполнив такое преобразование со всеми вершинами полигона, получим новый полигон, а преобразовав все полигоны, получим новый объект, повернутый/сдвинутый/промасштабированный относительно исходного.
Трехмерное изображение отличается от плоского построением геометрической проекции трехмерной модели сцены на экране монитора с помощью специализированных программ. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырехмерного фрактала).
Для получения трехмерного изображения требуются следующие шаги:
– моделирование – создание математической модели сцены и объектов в ней;
– рендеринг (визуализация) – построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью.
3D-графика сочетает в себе растровую и векторную графику. Программные средства обработки трехмерной графики:
– 3ds max (Discreet);
– Softimage (Microsoft);
– Maya (Alias, Wavefront).
На рис. 10.16 представлен пример 3D-графики.
Основные форматы графических файлов:
– PSD (Photoshop Document);
– RLE (Run Length Encoding);
– BMP (Windows Device Independent Bitmap);
– GIF (CompuServe Graphics Interchange Format);
– EPS (Encapsulated PostScript);
– JPEG (Joint Photographic Experts Group);
– PDF (Portable Document Format);
– PCX;
– PNG (Portable Network Graphics).
Работа с видео
Компьютерное цифровое видео представляет собой последовательность цифровых изображений и связанный с ними звук. Элементы видео хранятся в цифровом формате. Существует множество способов захвата, хранения и воспроизведения видео на компьютере. С появлением компьютерного цифрового видео стихийно стали возникать самые разнообразные форматы представления видеоданных, что поначалу привело к путанице и вызвало проблемы совместимости. Однако в последние годы благодаря усилиям Международной организации по стандартизации. ISO выработаны единые стандарты на форматы видеоданных.
Современное программное и аппаратное обеспечение предоставляет разнообразные возможности обработки видео на компьютере. Технические средства обеспечения работы с видео на ПК:
– плата захвата изображения;
– персональное видеозаписывающее устройство (PVR);
– веб-камера;
– ТВ-тюнер;
– VGA-PAL;
– Video VGA.
Одной из самых распространенных программ работы с видео на ПК является Windows Movie Maker.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение технологии мультимедиа.
2. Что относится к стандартным, средствам мультимедиа?
3. Что собой представляет технология записи и воспроизведения звука в компьютере?
4. Что такое компьютерное видео?
5. Перечислите форматы звуковых файлов.
6. Чем отличаются MIDI-файлы от wave-файлов?
7. Перечислите типы компьютерной графики.
8. Дайте определение терминам «рендеринг», «анимация» и «морфинг».
9. Приведите классификацию технологий обработки графических образов.
10. Перечислите основные области применения компьютерной графики.